DE2045488B2 - Verfahren zur entfernung von kohlenstoffverbindungen aus einem gas mittels eines katalysators, der platin enthaelt - Google Patents
Verfahren zur entfernung von kohlenstoffverbindungen aus einem gas mittels eines katalysators, der platin enthaeltInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung umweltschädlicher, gasförmiger Kohlenstoffverbindungen,
wie z. B. Kohlenmonoxyd oder niedrige Kohlenwasserstoffe, wie etwa Methan oder Äthan, aus
einem Gas durch Oxydation, wobei das Gas zusammen mit Sauerstoff über einen Katalysator geleitet
wird, der aus einer auf einem wärmebeständigen, inerten Trägermaterial abgelagerten ersten Schicht eines
katalytisch wirksamen, wärmebeständigen Metalloxyds, z. B. aus der Gruppe II oder III des periodischen
Systems, und einer darauf aufgebrachten zweiten metallischen Beschichtung, die Platin enthält, besteht,
und die Kohlenstoffverbindungen auf ihre Entzündungstemperatur gebracht und in Gegenwart des
Katalysators verbrannt werden.
Derartige Verfahren, welche Katalysatoren verwenden, deren äußere Schicht aus Metallen der Platingruppe
besteht, sind aus der L'S-PS 27 42437 und der FR-PS 14 00 504 bekannt. Sie können zur Reinigung
von Industrieabgasen und der Abgase von Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren, eingesetzt
werden, bedingten aber bisher verhältnismäßig hohe Zündungstemperaturen. Je niedriger jedoch die
Zündungstemperatur ist, desto eher und vollständiger werden nach dem Anlassen eines Verbrennungsmotors
die schädlichen Abgasbestandteilt oxydiert.
Der Erfindung.liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der bezeichneten Art zu schaffen, welches
bei niedrigerer Zündungstemperatur zu einer schnelleren und besseren Verbrennung der zu oxydierenden
Kohlenstoffverbindungen führt, und zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
daß das Gas durch eine aus porösem Trägermaterial gebildete Bienenwabenstruktur geleitet wird,
dessen zweite Beschichtung aus einer Legierung oder Mischung von Rhodium und Platin mit einem Gewichtsanteil
des Rhodiums von 20 bis 50% besteht.
Durch die Erfindung wird erreicht, daß die Zündungstemperatur,
welche bei Verwendung von Platin oder Rhodium jeweils allein als Material für die äußere
Schicht des Katalysators in einem bestimmten Fall bei der Oxydation von Methan z. B. bei etwa 425 bzw.
400"C liegt, auf ungefähr 315 bis 33O°C gesenkt wird.
Die wichtigsten Vorteile der niedrigeren Reaktionstemperatur sind je nach Einzelfall der Anwendung
des vorgeschlagenen Verfahrens:
a) in Fällen, wo ein organisches Abgas als Brennstoff verwendet wird, eine bessere Brennstoffumwandlung
und niedrigere Betriebskosten;
b) eine höhere prozentuale Beseitigung der schädlichen, in die Atmosphäre entweichenden Gase;
c) die mögliche Verwendung kleinerer Wärmeaustauscher und eines billigeren Reaktorsystems;
d) die Möglichkeit zur Verwendung eines einzigen Katalysators anstelle eines doppelten oder noch
komplizierterer Systeme und
e) die Möglichkeit der Anwendung des Katalysators unmittelbar im Gasstrom, wenn dessen Temperatur
oberhalb der zum Zünden notwendigen Temperatur liegt.
Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Anwendung kommende Bienenwabenstruktur wird in der
Regel fast den gesamten Querschnitt der Reaktionszone einnehmen, wobei eine Dichtung zwischen
Bienenwabenstruktur und Reaktorwänden vorgesehen wird, um zu vermeiden, daß ein Teil des Gasstromes
die Bienenwabenstruktur umgeht. Für große Querschnitte von etwa 15 cm oder mehr ist es zweckmäßig,
als Bienenwabenstruktur mehrere genau zueinander passende Blöcke zu verwenden. Für eine vollständigere
Oxydation kann es auch zweckmäßig sein, die Blöcke nacheinander oder in Reihe anzuordnen, In diesem
letzteren Fall kann der niedrige Strömungswiderstand gegebenenfalls noch weiter gesenkt werden durch
flache parallele Rillen an den Enden der Blöcke zur Vergrößerung der Verbindung zwischen den Kanälen.
Die Bienenwabenstruktur ist zweckmäßig so geformt, daß sie in die Reaktionszone oder den Reaktor, in den
sie eingeführt werden soll, genau hineinpaßt. Blöcke aus entsprechend geformten Bienenwabenmaterial
werden vorzugsweise so in den Reaktor gelegt, daß die allgemeine Richtung der zellförmigen Durchflußkanäle
gleichlaufend mit dem Gasstrom durch den Reaktor ist.
Die Blöcke können aber auch so gelagert sein, daß -5
der Gasstrom durch den Reaktor radial oiler quer zur allgemeinen Richtung des Gasstroms verläuft.
Die Bienenwabenstruktur besteht aus einem chemisch praktisch inerten, harten, festen, porösen,
wärmebeständigen Material, das seine Form i:nd Festigkeit bei hohen Temperaturen, wie z. B. bis zu
1100°C oder mehr, bewahren kann. Das wärmebeständige Material sollte vorzugsweise eine Massendichte
von 0,45-1,06 g/ccm, insbesondere 0,5-0,9 g/ccm, haben und unglasiert sein. Das zugängliche Porenvolumen
ausschließlich des Volumens der Durchflußkanäle ist vorzugsweise größer als 0,10 ecm pro g
Struktur, insbesondere zwischen 0,20-0,30 ccm/g.
Die Wände der Kanäle der Bienenwabenstruktur enthalten zur Vergrößerung der Katalysatoroberfläche
Makroporen und weisen zur besseren Beständigkeit und Festigkeit bei hoher Temperatur nur eine geringe
Anzahl kleiner Poren auf. Während die äußere Oberfläche einschließlich der Kanäle zwischen 0,001-0,01
mVg betragen kann, ist die gesamte Oberfläche einschließlich der Poren typischerweise mehrere
hundertmal größer, so daß ein wesentlicher Teil der katalytischen Reaktion in den großen Poren erfolgt.
Die Struktur hat vorzugsweise eine solche Makroporenverteilung, daß über 95% des Porenvolumens in jo
Poren einer Größe, d. h. eines Durchmessers, über 2000 A vorliegen, und über 5% des Porenvolumens
vorzugsweise aus Poren einer Größe über 20000 Ä besteht. In einer bevorzugten Ausführungsform bestehen
über 50% des Porenvolumens aus Poren einer Größe von mehr als 20000 A.
Die Oberfläche der Bienenwabenstruktur einschließlich der Wände der Durchflußkanäle sollte so groß
sein, wie dies mit einem noch annehmbaren Strömungswiderstand vereinbar ist. Die Oberfläche beträgt
oft 0,5-0,6 m2 vorzugsweise 1-2,5 m2 pro !Trägermaterial.
Die Kanäle durch die Bienenwabenstruktur können jede Form und Größe haben, die mit der gewünschten
Oberfläche vereinbar ist; sie sollten groß genug sein, um einen freien Durchgang des zu reinigenden,
das Verschmutzungsmittel enthaltenden Gases zuzulassen und eine Verstopfung durch irgendwelches,
mit dem Gas mitgeführtes festes Material zu verhindern. Die Kanäle können sich z. B. im wesentlichen
parallel von einer Seite zur gegenüberliegenden Seite des Trägermaterials erstrecken, oder ein Netzwerk
bilden. Die beste Wirksamkeit wird erzielt, wenn die iCanaleinlaßöffnungen über praktisch die gesamte
Frontseite des Trägermaterials verteilt sind.
Die bevorzugten Materialien für die Bienenwabenstruktur sind Mullit oder Zirkon-Mullit, das aufgrund
seines niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten durch gute Wärmeschockbeständigkeit gekennzeichnet
ist, obgleich auch andere ähnliche, chemisch inerte, wärmebeständige, kristalline keramische Materialien
verwendet werden können. Solche anderen, wärmebeständigen, als Träger geeigneten Materialien sind
z. B. α-Tonerde, Sillimanit, Magnesiumsilicate, Zirkonerde, Petalit, Spodumen, Cordierit, Aluminosilicate
usw. Im Gegensatz zu einem Katalysatorbett aus Tabletten, das vertikal zu einem absteigenden Gasfluß
sein muß, gibt es keine Beschränkung bezüglich der Stellung der keramischen Bienenwabenstruktur oder
der Richtung des Gasflusses durch den den Katalysator enthaltenden Reaktor. Keramis-jhe Bienenwabenstrukturen
haben ein hohes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, weshalb sie nach Beschichtung mit katalytischen
Metallen wirksamere Katalysatoren ergeben als tableitierte Katalysatoren. Aufgrund der offenen
Struktur ist der Druckabfall über eine keramische Bienenwabenstruktur nur '/20 desjenigen, der über ein
Bett ähnlicher Dimensionen aus Katalysatortabletten auftritt. Bienenwabenstrukturen haben weiterhin eine
hohe Wärmeschockbeständigkeit und Festigkeit und zeigen den großen Vorteil, abriebfest zu sein.
Das wärmebeständige Metalloxyd wird kontinuierlich oder diskontinuierlich auf dem Trägermaterial
abgeschieden, und zwar vorzugsweise in Form eines Filmes einer Dicke von 9,01-0,025 mm.
Ein solches Oxyd ist ein calciniertes, wärmebeständiges Metalloxyd, das selbst durch eine poröse Struktur
gekennzeichnet ist und ein großes inneres Porenvolumen sowie Gesamtoberflächengebiet besitzt; daher
wird es als »aktives« (d. h. katalytisch aktives) wärmebeständiges Metalloxyd bezeichnet.
Die bevorzugten aktiven, wärmebeständigen Metalloxyde enthalten Mitglieder der y- oder aktivierten
Tonerde-Familie, die z. B. durch Ausfällung eines wasserhaltigen Tonerdegels und anschließendes Trocknen
und Calcinieren zur Entfernung des hydratisierten Wassers und zur Schaffung der aktiven y-Tonerde hergestellt
werden. Ein besonders bevorzugtes aktives, wärmebeständiges Metalloxyd erhält man, indem man
eine Vorläufermischung aus wasserhaltigen Tonerdephasen mit einem vorherrschenden Gehalt an kristallinem
Trihydrat, d. h. eine solche, die (bezogen auf das gesamte Tonerdehydratpräparat) mehr als
50Gew.-%, vorzugsweise 65-95 Gew.-% einer oder mehrerer der Trihydratformen Gibbsit, Bayerit und
Norstrandit (durch Röntgenstrahlenbrechung bestimmt) enthält, bei Temperaturen von 3OO-800°C
trocknet und calciniert.
Andere geeignete aktive wärmebeständige Metalloxyde umfassen z. B. aktive oder calcinierte Beryllerde,
Zirkonerde, Magnesia oder Kieselsäure und Kombinationen von Metalloxyden, wie Borerde-Tonerde
oder Kieselsäure-Tonerde. Zweckmäßig besteht das aktive wärmebeständige Oxyd vorherrschend aus
Oxyden eines oder mehrerer Metalle der Gruppen II, III und IV des periodischen Systems mit einer Atomzahl
nicht über 40. Die aktive wärmebeständige Metalloxydablagerung kann l-50Gew.-%, vorzugsweise
5-30Gew.-%, des gesamten Trägers ausmachen.
Das erfindungsgemäße aktive wärmebeständige Metalloxyd kann auf verschiedene Weise auf dem
Träger abgeschieden werden. Ein Verfahren besteht im Eintauchen des Trägers in eine Lösung des Salzes
des wärmebeständigen Metalles und im Calcinieren zwecks Abbau des Salzes in die Oxydform. Bei einem
anderen, bevorzugten Verfahren wird der Träger in eine wäßrige Suspension, Dispersion oder Aufschlämmung
des wärmebeständigen Oxydes seihst eingetaucht, getrocknet und calciniert. Bei diesen Verfahren
können Suspensionen oder Dispersionen mit einem Feststoffgehalt von 10-70 Gew.-% zur Abscheidung
einer geeigneten Menge des wärmebeständigen Metalloxyds auf dem Träger in einer einzigen Verfahrensstufe verwendet werden. Zur Herstellung eines Katalysators
mit 10Gew.-% aktivierter Tonerde auf einer Zirkon-Mullit-Struktur wird ein Feststoffgehalt der
Suspension von 20-40 Gew.-% angewendet. Der an-
wesende prozentuale Feststoffgehalt wird auf entzündeter Gewichtsbasis (bei 1100"C entzündet) bestimmt.
Ein besonders bevorzugtes Verfahren besteht in der Bildung einer oben beschriebenen wäßrigen Dispersion
oder Aufschlämmung, die dann naß vermählen wird; dadurch wird das wärmebeständige Metalloxyd
auf eine feinzerteilte Form zerkleinert, und man erzielt einen thixotropen Schlamm der gewünschten
Konsistenz, z. B. mit einem Feststoffgehalt von 10-70Gew.-%. Dann wird der Träger in den Schlamm
getaucht, getrocknet und calciniert. Gewöhnlich werden Calcinierungstemperaturen von 150-800"C
angewendet. Die Calcinierung erfolgt zweckmäßig in Luft, ζ. Β. einem getrockneten Luftstrom; sie kann
jedoch auch in Berührung mit anderen Gasen, wie Sauerstoff, Stickstoff oder Abgas (Rauchgas) oder
unter Vakuumbedingungen durchgeführt werden. Das wärmebeständige Oxyd wird auf den Oberflächen der
Struktur einschließlich den Kanaloberflächen und oberflächlichen Makroporen in Verbindung mit den
Kanaloberflächen als dünne Ablagerung in einem Gewichtsverhältnis von 1-50%, vorzugsweise 5-30%,
bezogen auf das Gewicht des Blockes abgeschieden.
Der Strukturträger kann vor der Aufbringung des wärmebeständigen Metalloxyds benetzt werden. In
einer Ausführungsform wird eine Zirkon-Mullit-Struktur in eine wäßrige Suspension eingetaucht, die
die gewünschte Gewichtskonzentration an hydratisiertem, wärmebeständigem Oxyd enthält. Wie festgestellt
wurde, absorbiert die Struktur aufgrund ihrer Porösität die Suspension leicht. Dann wird die Katalysatorstruktur
getrocknet und bei einer Temperatur von 400-8000C, vorzugsweise 450-5500C, calciniert. Ein
3,5-l-Zirkon-Mullit-Block absorbiert etwa 0,25-1 1 Suspension.
Der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Katalysator besteht außer dem auf der inerten
keramischen Struktur abgeschiedenen wärmebeständigen Oxyd aus einem darauf abgelagerten Katalytisch
aktiven Metall in Form einer Mischung oder Legierung aus Platin und Rhodium. Der Auftrag kann nach den
bekannten Verfahren zur Abscheidung katalytisch aktiver Metalle auf Trägern erfolgen.
So kann z. B. die keramische Bienenwabenstruktur mit der darauf abgeschiedenen aktivierten Tonerde in
eine Lösung eines oder mehrerer wasserlöslicher, anorganischei Salze von Platin und Rhodium, wie Chlorplatinsäure
und Rhodiumtrichlorid, eingetaucht werden; dabei wird die Mischung zur Sicherstellung einer
einheitlichen Verteilung gerührt, und die Metalle werden durch chemische oder thermische Reduktion
oder in einem chemisch kombinierten Zustand auf der Katalysatorstruktur ausgefällt. Das Metall wird durch
übliche Verfahren aktiviert.
Nach der Imprägnierung mit Platin und Rhodium kann der Katalysator zweckmäßig zur Fixierung der
Pt-Rh-Legierung oder -Mischung als Sulfid in dem Film des aktiven wärmebeständigen Oxydes mit
Schwefelwasserstoff in Berührung gebracht werden; so erhiill man einen aktiveren, zweckmäßigeren Katalysator
mit guter Dispcrgierung der Platin- und Rhodiummetalle in einer Form, die ein Wandern des
Metalles wahrend der Trocknung und Calcinierung verhindert. Eine wäßrige Lösung der Platin- und Rhodiumverbindungen
kann auch zur Bildung eines Sols mit Schwefelwasserstoff umgesetzt werden, und dieses
Sol wird auf dem Film aus aktivem wärmebeständigem Mctalloxytl aufgebracht. Nach diesen Behandlungen
5(1 kann der fertige Katalysator unter den obengenannten Bedingungen bei Temperaturen zwischen 150-800'C
calciniert werden.
Es ist zweckmäßig, daß der endgültige Katalysator den wärmebeständigen Metalloxydfilm im aktivierten
oder calcinierten Zustand aufweist. Die Aktivierung des wärmebeständigen Metalloxydfilmes kann vor seiner
Abscheidung auf dem Träger oder danach oder sogar nach der Pt- und Rh-Imprägnierungsstufe durchgeführt
werden. Gewöhnlich wird das Material calciniert oder Teilweise calciniert, bevor es auf dem Träger abgeschieden
wird; die Calcinierung kann jedoch auch nach der Abscheidung und vor der Abscheidung der Metallkomponenten
der Platingruppe erfolgen. Der die Mischung aus Platin- und Rhodiummetall enthaltende
Katalysator kann vor, während oder nach der Calcinierung z. B. durch Berührung mit molekularem
Wasserstoff bei erhöhten Temperaturen reduziert werden.
Die notwendige Platin- und Rhodiummenge variiert in Abhängigkeit vom besonderen, ausgewählten Verhältnis.
In allen Fällen reicht jedoch die zugegebene Menge an Platin- oder Rhodiumverbindung aus, um
im endgültigen Katalysator eine kleine, jedoch katalytisch wirksame Metallmenge zur Katalyse und Entfernung
von Verunreinigungen aus dem Gas zu ergeben. Gewöhnlich liegt die Gesamtmenge aus Platin
und Rhodium zwischen 0,05-10 Gew.-%, vorzugsweise 0,5-2,0 Gew.-%, bezogen auf den gesamten, abgeschiedenen
Katalysator.
Geeignete, als zufriedenstellend gefundene Konzentrationen liegen bei 0,9% Gew./Gew. und 1,8%
Gew./Gew.
Es wurde ein Katalysator verwendet, der aus einer Legierung aus 35%Rh und 65% Pt, abgeschieden auf
eine inerte, harte, wärmebeständige Bienenwabenstruktur aus keramischem Mullit, bestand.
Es hatte einen ersten Überzug aus einem wärmebeständigen Metalloxyd, das aus aktiver Tonerde
bestand. Die Legierung aus 35% Rh und 65% Pt war nach einem bekannten Verfahren abgeschieden.
Mit diesem Katalysator wurden die Zündungstemperaturen vieler verschiedener organischer, häufig in
verschmutzter Luft auftretender organischer Moleküle bestimmt. Die Ergebnisse sind in der Tabelle aufgeführt.
Zündungstemperaturen von in verschmutzter Luft auftretenden Molekülen mit einem 35% Rh/65% Pt-Katalysator
auf keramischem Mullit
Ziin- | Eintrittstemp. | |
dungs- | Tür 90%ige | |
tenip. | Umwandlung | |
ca | ca | |
Wasserstoff | 20 | 20 |
Kohlenmonoxyd | 150 | 150-200 |
Benzol | 180 | 250-300 |
Toluol | 170 | 250-300 |
Xylol | 200 | 250-300 |
(ί-l'incn | 190 | 250-300 |
I-ortsetzung
Zün-
dungs-
temp.
(C)
Eintrittstemp. Tür 90%igc Umwandlung
Mesityloxyd 180 250-300
Äthanol 160 250-300
n-Heptan 160 250-300
Methylisobutylketon 175 300-350
Methyläthylketon 175 300-350
Dimethylformamid 200 350-400
Äthylacetat 275 400-450
Methan (Luft) 300 400-450
Methan (3% O2/N2) 325 400-450
Thiophen 335 400-450
Pyridin 407 400-450
Chlorbutan 425 450-500
Schwefelwasserstoff 400 400-425
Kohlendisulfid 350 375-400
Die zweite Spalte gibt die Temperatur des in den Katalysator eintretenden Gasstromes an, die erfindungsgemäß
für eine 90%ige Umwandlung der betreffenden Verunreinigung als notwendig gefunden wurde.
Diese Temperaturen sind wesentlich niedriger als diejenigen, die üblicherweise für die katalytische Oxydation
dieser Verbindungen angegeben werden.
Unter Verwendung des in Beispiel 1 beschriebenen Katalysators, der jedoch unterschiedliche Ph: Pt-Ver-25
30
35
hältnisse aufwies, wurde die Zündungstemperatur von 1,5% Gew./Gew. Methan in einem 3% Gew./Gew.
Sauerstoff enthaltenden Gas bestimmt, bei dem der Rest aus Stickstoff (mit geringen Mengen an Oxyden
von Stickstoff und Edelgasen wie Argon) bestand. Die Bestimmung erfolgte für den folgenden Bereich:
Verhältnis von
Rh zu Pt
Zündungstemperatur
15
0: | 100 | 425 |
5: | 95 | 410 |
20: | 80 | 330 |
35: | 65 | 315 |
50: | 50 | 325 |
100: | 0 | 400 |
20
Die Ergebnisse zeigen deutlich, daß der niedrige Zündungstemperaturbereich und daher die höchstwirksame
Entfernung der Verschmutzungsmittel bei Rh : Pt-Verhältnissen von 20 : 80 bis 50 : 50 mit einem
Optimum bei 30 :70 bis 40 : 60 und dem Spitzenwert bei etwa 35 : 65 liegt.
Beispiel 3
Auspuffgasreinigung eines Ottomotors
Auspuffgasreinigung eines Ottomotors
Die Konzentration an schädlichen Gasen variiert von Motor zu Motor und hängt auch von der Arbeitsweise
des Motors ab. Für Vergleichszwecke sind Typische Zahlen für zwei Motorsysteme in der folgenden
Tabelle angegeben:
Maximal abgegebene Konzentrationen in Auspuffgasen von Benzin- und Diesel-Motoren
Kohlenmonoxyd
wassers to ffe
(Teile pro Mill.)
(Teile
pro Mill.)
Schwefeldioxid
(Teile
pro Mill.)
Fein zerteilte
Materialien
(g/m2)
Dieselmotor
Benzinmotor
Benzinmotor
0,1 10
300 1000 4000
4000
4000
200
60
60
0,5
0,01
0,01
Die Tests erfolgten mit einem Gardner-IL2-Laboratoriumsmotor mit einem Zylinder und Wasserbremse, der die
typischen, von in geschlossenen Räumen arbeitenden Dieselmotoren abgegebenen Auspuffgase reproduzieren
sollte. Die Arbeitsbedingungen des Motors sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:
Arbeitsbedingungen des Testmotors
mcngc (ligkcil temperatur
(PS) (kg/h) (kg/h) (Umdr./min) (11C)
Leerlauf
Mittlere Belastung 7,5
Hohe Belastung 11,0
0,23 | 33,9 | 600 | 96 |
2,3 | 54,0 | 1190 | 487 |
2,8 | 52,6 | 1170 | 597 |
ίο
Die in diesen Tests verwendete, erfindungsgemäße katalytische Verbrennungseinheit wurde durch ein
kurzes Stück eines Rohres aus rostfreiem Stahl mit dem Auspuffrohr verbunden. Nach Durchgang durch
die Katalysatoreinheit wurden die Auspuffgase über ϊ
einen üblichen Schalldämpfer in die Atmosphäre freigesetzt. Der Druckabfall in der Katalysatoreinheit
betrug 10 mm Wassersäule.
Die Auspuffmenge und die Konzentrationen an aliphatischen!
Aldehyd wurden vor und nach dem Kataly- ι ο sator in üblicher Weise gemessen. Kohlenmonoxyd
und Stickoxyd wurden durch IR-Analyse bestimmt. Die Kohlenwasserstoffkonzentrationen wurden an in
Haldane-Rohren gesammelten Proben durch Gaschromatographie bestimmt. Die Rauchkonzentra- r>
tionen in den Auspuffgasen wurden mit einem Hartridge-Rauchmesser bestimmt.
Die Tests bezüglich der Katalysatorwirksamkeit zur Auspuffgasreinigung wurden unter drei Arbeitsbedingungen
durchgeführt, nämlich Leerlauf, mittlere und hohe Belastung. Messungen und Proben wurden vor
und nach dem Katalysator entnommen, und zwar lOmal für jeden Motorzustand. Die Tests erfolgten in
zufälliger Reihenfolge; dabei wurde jeweils eine Dauer von 15 Minuten zwischen den Tests gewährt, damit
sich die Motorbedingungen stabilisieren konnten. Die Ergebnisse dieser Tests sind in der folgenden Tabelle
angegeben.
Neben den in diesen Tabellen aufgeführten Auspuffmengen wurde auch der Gehalt an aliphatischen! Aldehyd
und der Geruch der Auspuffgase bestimmt. Unter einigermaßen stabilen Motorbedingungen variierte, wie
festgestellt wurde, die Aldehydkonzentration in den Auspuffgasen, und daher wurde die katalytische Wirksamkeit
zur Aldehydentfernung nur unter vollen Belastungsbedingungen gemessen. Durch gleichzeitige
Entnahme von Proben vor und nach dem Katalysator wurde festgestellt, daß der Katalysator die Aldehydkonzentration
um 60% verringerte. Die prozentuale Veränderung bei einer stat. Sicherheit von 95% betrug
41,3-78,5%. Der Geruch der Auspuffgase war nach dem Katalysator wesentlich verbessert.
Unter Leerlaufbedingungen ist die Auspuffgastemperatur von 95°C für eine katalytische Reaktion
zu niedrig. Die Auswirkung der Auspuffgastemperatur auf die Kohlenmonoxydentfernung durch den Katalysator
(35% Rh/65% Pt auf einer harten porösen wärmebeständigen Bienenwabenstruktur) wurde bestimmt
und in der Figur graphisch dargestellt. Wie ersichtlich, wird der Katalysator bei 170"C wirksam, und seine
Wirksamkeit erhöht sich mit erhöhter Auspuffgastemperatur schnell.
Auspuffabgabe (Mittel aus jeweils 10 Tests)
Verbindung | Ohne Katalysator | - | - | Mit Katalysator | - | - | 97 | Veränderung | Prozentuale Veränderung |
1032 | 474 | 1014 | 13,1*) | bei 95%iger statistischer | |||||
(Vol.-Teile pro Mill.) | 3,9*) | 12,9*) | (Vol.-Teile pro Mill.) | 4,0*) | (%) | Sicherheit | |||
A. Leerlauf | 2281 | ||||||||
Stickstoffoxyde | weniger als 500 | 2270 | 1097 | weniger als 500 | 2125 | 2,4 | unbedeutend | ||
Äthan | 15,3 | 8,0 | 8,0 | 17,0 | 1,6 | 11,8 | 11,10 | unbedeutend | |
Methan | 15,6 | 320 | - | unbedeutend | |||||
Kohlenmonoxyd | 1930 | 36,7*) | 0,17 | unbedeutend | |||||
Rauch | 41,3*) | 2,56 | unbedeutend | ||||||
B. Mittlere Belastung | Raiicheinhcilen. | ||||||||
Stickstoffoxyde | 6,4 | unbedeutend | |||||||
Äthan | 80,0 | 67,4-88,2 | |||||||
Methan | - | - | |||||||
Kohlenmonoxyd | 79,5 | 78,5-80,5 | |||||||
Rauch | 1,6 | unbedeutend | |||||||
C. Hohe Belastung | |||||||||
Stickstoffoxyde | 8,8 | unbedeutend | |||||||
Äthan | 70,0 | 50,5-89,6 | |||||||
Methan | 24,4 | 5,5-43,2 | |||||||
Kohlenmonoxyd | 83,4 | 82,7-84,0 | |||||||
Rauch | 11,1 | unbedeutend | |||||||
*) Ausgedrückt in Ilartridge- |
Das in dieser Tabelle als prozentuale Veränderung ausgedrückte Maß an Auspuffgasreinigung kann bis
zu einem theoretischen Wert von 100% erhöht werden, indem man das Volumen des in der Verbrennungscinheit
verwendeten Katalysators erhöht. Die Erhöhung des Katiilysutorvolumcns würde auch eine merkliehe
Veränderung der Rauchkonzentration vor und nach dem Katalysator ergeben; zum derzeitigen Stand
der Katalysatorentwicklung würde dies in einem handelsüblichen System jedoch nicht wirtschaftlich
sein. Obgleich der Katalysator bei der Rauchverringerung weniger wirksam ist als bei der Verminderung
anderer Auspuffgasbestandteile, wird der Katalysator nicht von den Rauchteilchen überzogen und daher
unwirksam. Die Rauchteilchen auf dem Katalysator werden kontinuierlich durch katalytische Oxydation
während der Katalysatorlebensdauer entfernt.
Es wurde 1,5% Methan oder Erdgas verwendet, das als Brennstoff in ein Abgas aus der Salpetersäureherstellung
mit den typischen Mengen an NO, NO2, N2O
und 3% O2, wobei der Rest aus inerten Bestandteilen, wie N, und Ar bestand, bei einer Raumgeschwindigkeit
von 100000 Std."1 und atmosphärischem Druck eingespritzt wurde; mit den gezeigten Katalysatoren
wurden die folgenden Zündungstemperaturen erzielt:
Zündungstemperalur | |
(C) | |
Pd/keramische Bienen | |
wabenstruktur | 275-300 |
Pt/keramischer Mullit | |
(siehe Beispiel 1) | 425-450 |
35%Ph/65%Ptauf | |
keramischem Mullit | |
(siehe Beispiel 1) | 300-325 |
Die gesamte Metallkonzentration des Katalysators aus 35% Rh und 65% Pt betrug 120 g pro 28,3 1 Katalysator
(oder etwa 0,9% Gew./Gew.).
Die erfindungsgemäßen Pt/Rh-Katalysatoren haben eine zu erwartende aktive Lebensdauer von mindestens
2'/2 Jahren. Obgleich ein Katalysator aus Pd auf einer keramischen Bienenwabenstruktur annehmbare Zündungstemperaturen
zeigt, hat ersieh bei diesen Arbeitstemperaturen als unstabil erwiesen und bekanntermaßen
innerhalb eines Monats versagt.
Somit zeigen die Ergebnisse, daß die erfindungsgemäßen Katalysatoren aus 35% Rh und 65% Pt eine
zweckmäßig niedrige Zündungstemperatur mit guter Stabilität unter oxydierenden Bedingungen und bei
erhöhten Temperaturen vereinigen.
Unter Verwendung von 1,78 Vol.-% Methan oder Erdgas, das bei 5,25 kg/cm2 in ein Abgas aus einer
Salpetersäureanlage eingespritzt wurde, das noch 3 Vol.-% Sauerstoff und 2000 Teile pro Mill. Stickstoffoxyde
enthielt, wurden mit einem Katalysator aus 35% Rh und 65% Pt auf Mullit die folgenden Ergebnisse
erzielt:
Zündungstemperatur
Methanumwandlungswirksamkeit
Katalysatorstabilität
Methanumwandlungswirksamkeit
Katalysatorstabilität
325 0C
mehr als 90%
gut
gut
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
1. Verfahren zur Entfernung umweltschädlicher, gasförmiger Kohlenstoffverbindungen, wie z. B.
Kohlenmonoxyd oder niedrige Kohlenwasserstoffe, wie etwa Methan oder Äthan, aus einem Gas durch
Oxydation, wobei das Gas zusammen mit Sauerstoff über einen Katalysator geleitet wird, der aus
einer auf einem wärmebeständigen, inerten Trägermaterial abgelagerten ersten Schicht eines katalytisch
wirksamen, wärmebeständigen Metalloxyds,
z. B. aus der Gruppe Π oder III des periodischen Systems, und einer darauf aufgebrachten zweiten
metallischen Beschichtung, die Platin enthält, is besteht, und die Kohlenstoffverbindungen auf ihre
Entzündungstemperatur gebracht und in Gegenwart des Katalysators verbrannt werden, dadurch
gekennzeichnet, daß das Gas durch eine aus porösem Trägermaterial gebildete Bienenwabenstruktur
geleitet wird, dessen zweite Beschichtung aus einer Legierung oder Mischung von Rhodium und Platin mit einem Gewichtsanteil
des Rhodiums von 20 bis 50% besteht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Rhodium 30 bis 40Gew.-% des Metalls in der Mischung oder Legierung ausmacht.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rhodium etwa 35Gew.-% des
Metalls in der Mischung oder Legierung ausmacht.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägermaterial
ein solches aus der Gruppe von Zirkon-Mullit, Mullit, alpha-Tonerde, Sillimanit, Magnesium-Silikaten,
Zirkonerde, Petalit, Spodumen, Cordierit J5
und Aluminiumsilikaten verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht zum
größten Teil aus Oxyden wenigstens eines der Metalle der Gruppen II, IH und IV des periodischen
Systems mit einer Atomzahl nicht über 40 besteht.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Schicht mindestens ein
Metalloxyd aus der Gruppe kalzinierte oder aktive Tonerde, Beryllerde, Zirkonerde, Magnesia oder
Kieselsäure verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auslösung der
Reaktion das Gas auf eine Temperatur von 150 bis 3500C erwärmt wird.
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